第八章生物反应器

第八章复习题5．某一酶促反应可以米氏方程表达，已知min)/(13,/03.0maxLmolrLmolKm，底物流量min,/10LF入口底物浓度LmolSin/10，底物的95%转化为产物，计算以下反应器条件下所需反应器体积：（1）CSTR条件下；（2）CPFR条件下。解：（1）CSTR条件下由于该酶促反应可以米氏方程表达，有FVrrKSminmaxmax1)(75.7%951%9503.0%951013101maxLKSrFVmin所以，在CSTR条件下所需反应器体积为7.75L。（2）CPFR条件下FVrrKSminmaxmax)1ln()(38.7%)951ln(03.0%95101310)1ln(maxLKSrFVmin所以，在CPFR条件下所需反应器体积为7.38L。6．初始浓度为3/1.0mmol的麦芽糖在酶的作用下加水水解生成葡萄糖，底物流量smF/002.03，转化率%80，反应符合米氏反应规律，)/(1039.433maxsmmolr，3/03.1mmolKm。求（1）采用单级CPFR反应器时所需体积；（2）采用单级CSTR反应器时所需体积；（3）其他条件不变，采用两个CSTR反应器时的反应体积；比较上述3种情况。解：（1）采用单级CPFR反应器时，由于该酶促反应可以米氏方程表达，有FVrrKSminmaxmax)1ln()(79.0%)801ln(03.1%801.01039.4002.0)1ln(33maxmKSrFVmin（2）采用单级CSTR反应器时，FVrrKSminmaxmax1)(91.1%801%8003.1%801.01039.4002.0133maxmKSrFVmin（3）采用两个CSTR反应器时，FVrrKSmmaxmax11101(1)FVrrKSmmaxmax22211(2)0101SSS(3)1212SSS(4)020SSS(5)联立方程求解，由（3）式得，)1(101SS(6)由(4)式得，)1)(1()1(210212SSS(7)将(1)式代入(5)式，得，)1)(1(121(8)12111(9)1121(10)将（6）、（9）、（10）式代入（2）式，得FVrrKSmmaxmax1101)((11)将(11)式-(1)式，得1)(11101110mmKSKS(12)代入已知数据，得8.018.003.1)8.0(1.0103.11.011111(13)化简，解方程，得55.01(14)将（14）式代入（10）式，得56.02将（14）式代入（1）式，得)(60.03mV所以两个CSTR反应器的总体积为1.20m3。比较以上三种情况，可以发现，CPFR反应器所需体积最小（0.79m3），CSTR反应器所需体积最大（1.91m3），将两个CSTR反应器串联后，所需体积变小（1.58m3），但仍比CPFR反应器体积大。以上结果说明，在SinKS情况下（本题中3/1.0mmolSin，3/03.1mmolKS），CSTR型酶反应器的性能比CPFR型酶反应器的性能差得多。两个CSTR串联虽可改善其性能，但仍不如CPFR型酶反应器。8．利用海藻酸钙凝胶包埋法固定化葡萄汁酵母，采用填充床式反应器，连续加入葡萄糖底物，产物为乙醇。试设计一确定保转化率80.02的反应器。生物反应可采用米氏方程SKSrrmPmax来描述，已知，32/1074.1mmolKm。空隙率为0.4;入口处底物浓度为3/10mmolSin；底物流量smF/100.533。解：对于填充床式固定化酶（细胞）反应器，由于反应可采用米氏方程描述，所以，)1()1()1ln(maxmaxFVrrKSmin)(44.2)8.01ln(1074.180.010)4.01(983.0100.5)1ln()1(323maxmKSrFVmin所以该反应器体积为2.44m3。